Vers la création d’une filière compétitive de fibre de carbone en France

Le 07 octobre 2014

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La fibre de carbone, un matériau devenu stratégique pour l’allégement des véhicules

L’allègement des véhicules est devenu un des défis majeur de l’automobile pour les prochaines années afin d’atteindre les objectifs réglementaires de réduction d’émission de C02.

Dans ce contexte, la filière automobile française aura besoin, à l'avenir, de matériaux plus légers (objectif 20% de gain de masse sur un véhicule), très performants, mais à des coûts maîtrisés (1 à 5 € /kg). Ainsi, les constructeurs augmentent aujourd’hui la part des aciers à très hautes performances et l'aluminium et, plus récemment, développent significativement des pièces en composite, notamment pour des pièces structurelles, en plus des pièces d’équipement et de carrosserie.

En effet la performance des matériaux composites est indéniable et est en grande partie liée à l'emploi de fibres de renfort en carbone. Ces dernières présentent, aujourd’hui, l’avantage d'un gain de 60 % de masse par rapport à l’acier mais l'inconvénient d'un prix élevé (min. 15 €/kg).

Un marché de la fibre de carbone en plein expansion contrôlé majoritairement par les Japonais

En plus du secteur automobile, la demande de ce matériau est en forte croissance prévisionnelle dans les secteurs de l’énergie et du loisir. On estime que la taille du marché mondial évoluera de ~60kt/an aujourd’hui, à ~100-150 kt/an à l’horizon 2020-2025, dont environ un tiers pour le secteur automobile. Or ce marché est contrôlé en majorité par des groupes japonais (avec une part de marché supérieure à 60%), américains, allemands et, bientôt, coréens et chinois.

Dans ce contexte, des actions de consolidation du marché s’opèrent, comme par exemple le rachat en 2013 de l’Américain Zoltek par le Japonais Toray. Ce dernier est en outre en train de structurer en Aquitaine une filière de fabrication de fibres de carbone, essentiellement pour l’aéronautique, en lançant la construction à Lacq d’une nouvelle usine de production de "matériaux sources" de la fibre de carbone (les précurseurs PAN) afin de fournir l’usine existante de fabrication de fibres d’Abidos.

Des partenariats stratégiques entre constructeurs automobiles et fournisseurs de fibres prennent également forme, comme la Joint Venture de Daimler avec le japonais Toray ou les partenariats de BMW et Volkswagen avec SGL. Tous les pays ayant une industrie automobile ont lancé une filière carbone et travaillent sur une solution à coût optimisé…

Un projet français de production de fibre de carbone économique… et biosourcée

Le PAN (ou poly-acrylonitrile) est le précurseur chimique de référence utilisé aujourd’hui pour la fabrication de la fibre de carbone. Il est surtout l’un des contributeurs majeurs de sa structure de coût et s’avère bien trop onéreux pour les exigences de l’industrie automobile. On estime pouvoir diviser par deux ce coût en recourant à des matériaux alternatifs tels que la lignine ou la cellulose, matériaux renouvelables que l’on trouve en grande quantité dans le bois, ou encore les polyoléfines, et en améliorant les procédés de fabrication.

L’optimisation ou la suppression de certaines étapes du procédé de fabrication, à l’exemple des phases de stabilisation, d’oxydation ou de graphitisation, constituent d’autres opportunités de réduction de ce coût, au même titre que les importantes économies d’échelle liées à la variété des applications possibles dans l’industrie automobile.

C’est pourquoi, à l’initiative de la Plate-Forme de la Filière Automobile (PFA) a été lancé le projet Force (fibre optimisée réaliste carbone économique) avec pour pilotes Faurecia et l’IRT Jules Verne. Ce projet porte sur l'étude et la production, en France, d'une fibre de carbone économique, principalement à partir de matières premières bio-sourcées, dont le prix serait inférieur à 7-8 €/kg. Une quinzaine d’entreprises françaises, producteurs et futurs utilisateurs des secteurs automobile et aéronautique, avec le concours de chimistes français, finalisent la création d’un consortium. La PFA a également contacté les industriels d’autres secteurs d’activités qui pourraient profiter de ce matériau afin d’assurer des débouchés pour une filière fibre de carbone à bas coût.

En favorisant l’investigation des matériaux « bio-sourcés » comme la lignine ou la cellulose, ce projet contribuera au développement de la filière du bois et du recyclage des biomasses et à l’autonomie sur l’ensemble de la chaîne de valeur.

Les grandes étapes du projet "FORCE"

 

Projet fibre de carbone

Les grandes étapes du projet "FORCE" - Source: PFA

A l’issue de cette phase de recherche qui permettra notamment de définir quelle est la matière première présentant la meilleure équation coût-performance, la phase industrielle démarrera pour valider les performances mécaniques et économiques sur des lignes pilotes de carbonisation. La production devrait donc démarrer réellement en 2020 avec l’assurance d’être rapidement rentable (les porteurs du projet estiment qu’une usine est rentable avec trois lignes de carbonisation).

Le besoin, en termes de capacité de production, est évalué, quant à lui, à environ 10 à 20kt/an à l’horizon 2020-2025, soit l’équivalent de 5 à 10 lignes de production, en croissance par la suite. Le coût du développement de cette filière carbone, avec prise en compte du partage des investissements et de l’exploitation des synergies entre les différents acteurs industriels, est estimé à 100M€ pour la phase « R&D », incluant les  lignes pilotes.

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